芯片巨頭的新戰(zhàn)場：光電共封迎來大的推動力
這個(gè)賽道也成為了芯片巨頭的新戰(zhàn)場。
是必然的，也是緩慢的
在介紹光電共封裝之前，先介紹下光通信。
光通信即光纖通信，是目前全球主流的通信方式（傳統(tǒng)的是以銅線為介質(zhì)的電通信）。廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、電信網(wǎng)絡(luò)、光纖寬帶、汽車電子和工業(yè)制造等領(lǐng)域。
光通信是以石英光纖作為傳輸介質(zhì)，以光波作為載體進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?/span>
通俗點(diǎn)講，就是在信號發(fā)射端，先將收到的電信號（數(shù)字信號/模擬信號）轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端。然后在信號接收端，再將收到的光信號轉(zhuǎn)化成可處理的電信號。
而聯(lián)特科技和中際旭創(chuàng)主營的光模塊，就是能夠?qū)崿F(xiàn)光、電信號轉(zhuǎn)換的核心部件。
光模塊，是由光器件、電芯片、印制電路板、結(jié)構(gòu)件等封裝而成的。這個(gè)環(huán)節(jié)，就涉及到了封裝技術(shù)。
截止至目前，光模塊主流封裝形式可大致劃分為三代。一代主要出現(xiàn)于1995-2000年，而后被二代取締。至于本文介紹的主角——光電共封裝（下文簡稱為CPO），就是三代的主流代表。
相較于傳統(tǒng)封裝形式，CPO在速率、能耗、成本方面更具優(yōu)勢，更能滿足算力狂飆的需求。
但請注意，當(dāng)前市場主流，仍然是二代封裝，且預(yù)計(jì)將存續(xù)至2028年。根據(jù)相關(guān)預(yù)計(jì)，CPO或?qū)⒂?024-2025年開始商用，2026-2027年開始上量。
這就意味著，至少目前，CPO還遠(yuǎn)未達(dá)到創(chuàng)收創(chuàng)利階段。
或許，CPO的發(fā)展是必然的，但必然也是緩慢的。
CPO的封裝方式及主要應(yīng)用領(lǐng)域
在CPO技術(shù)的應(yīng)用中，有兩種主要的封裝方式，分別是Co-packaged transceivers (CPT)和Co-packaged active optical cables (CP-AOCs)。CPT技術(shù)將收發(fā)器和芯片封裝在同一個(gè)封裝體中，可以減小芯片封裝面積和信號傳輸長度，提高光通信的速度和質(zhì)量。CP-AOCs技術(shù)則是將光模塊和芯片封裝在同一塊PCB板上，并使用微型化的線纜連接光模塊和芯片。CP-AOCs技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)密度和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，目前在數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算和5G通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，CPO技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)密度和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，可以應(yīng)用于高速網(wǎng)絡(luò)交換、服務(wù)器互聯(lián)和分布式存儲等領(lǐng)域。例如，F(xiàn)acebook在其自研的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)Fabric Aggregator中采用了CPO技術(shù)，將光模塊和芯片封裝在同一個(gè)封裝體中，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的速度和質(zhì)量。另外，CPO技術(shù)還可以減少系統(tǒng)的功耗和空間占用，降低數(shù)據(jù)中心的能源消耗和維護(hù)成本。在人工智能方面，算力成為以ChatGPT為代表的AI的核心競爭力，而CPO技術(shù)有望成為高能效比的解決方案之一。
在云計(jì)算領(lǐng)域，CPO技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高速云計(jì)算和大規(guī)模數(shù)據(jù)處理。例如，微軟在其云計(jì)算平臺Azure中采用了CPO技術(shù)，將光模塊和芯片封裝在同一塊PCB板上，并使用微型化的線纜連接光模塊和芯片。通過CPO技術(shù)的應(yīng)用，Azure可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)密度和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，從而提高了云計(jì)算的效率和性能。
在5G通信領(lǐng)域，CPO技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更快的無線數(shù)據(jù)傳輸和更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。例如，華為在其5G通信系統(tǒng)中采用了CPO技術(shù)，將收發(fā)器和芯片封裝在同一個(gè)封裝體中，從而實(shí)現(xiàn)了高速、高密度、低功耗的通信。CPO技術(shù)的應(yīng)用可以提高5G通信的速度和質(zhì)量，支持更多的無線設(shè)備連接和更復(fù)雜的通信應(yīng)用。
以上應(yīng)用將在未來數(shù)年持續(xù)爆發(fā)。除此之外，隨著互聯(lián)網(wǎng)和 5G/6G 用戶的增加以及來自人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和虛擬現(xiàn)實(shí)流量的延遲敏感型流量激增，對光收發(fā)器的數(shù)據(jù)速率要求將快速增長；AI、ML、VR 和 AR 對數(shù)據(jù)中心的帶寬要求巨大，并且對低延遲有極高的要求。支持400G的AOC已經(jīng)開始成為大型數(shù)據(jù)中心的主流，而800G的AOC似乎在幾年內(nèi)就會出現(xiàn)?；谝陨弦蛩?，未來CPO的市場規(guī)模將持續(xù)高速擴(kuò)大。
光電共封技術(shù)商業(yè)化還有諸多挑戰(zhàn)
但是，光電共封技術(shù)要獲得大規(guī)模的商業(yè)化還需要解決多個(gè)挑戰(zhàn)，它必須可靠、可維修、可部署、可顯著節(jié)能并且具有成本效益。雖然光互連有望讓芯片間的帶寬達(dá)到更高水平，特別是在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，但制造上的困難使其成本高昂到難以承受。
挑戰(zhàn)一，CPO技術(shù)嚴(yán)重依賴于硅光子學(xué)技術(shù)，需要將光學(xué)元件小型化以適應(yīng) ASIC 封裝（體積比傳統(tǒng) QSFP-DD 或 OSFP 模塊小 100 多倍）。我們看到，專有的CPO方案首先出現(xiàn)在Broadcom、Intel、Marvell和其他一些公司，這些供應(yīng)商大多已經(jīng)收購或與創(chuàng)新的硅光子公司合作。他們在這一技術(shù)上的積累和努力，使得CPO的商業(yè)化漸漸成為可能。
另一方面，隨著光學(xué)和硅芯片的高度集成，新的工程能力和晶圓代工廠將是非常需要的。
在這方面，格芯是一個(gè)比較具有前瞻的代工廠。自從退出芯片先進(jìn)制程的追逐后，格芯一直在探索其他技術(shù)，硅光子正是格芯押注大籌碼的一項(xiàng)技術(shù)。2015 年格芯收購了IBM Microelectronics 的一部分，因此也從IBM Research 獲得了光子學(xué)專業(yè)知識和知識產(chǎn)權(quán)。2016年，格芯就推出了其第一代硅光子平臺，并在同年創(chuàng)建了一個(gè)獨(dú)立的硅光子業(yè)務(wù)。當(dāng)時(shí)帶寬的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是僅為40 GB/s。格芯打賭未來行業(yè)將不得不利用光的力量在全球各地涌現(xiàn)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和之間移動大量數(shù)據(jù)。事實(shí)證明，確實(shí)如此，如今數(shù)據(jù)中心的帶寬已來到400 GB/s和800 GB/s的數(shù)據(jù)速率。
GF Fotonix 是格芯為硅光子芯片打造的一個(gè)整體的平臺，這也是業(yè)界唯一的硅光子大批量 300mm CMOS制造代工廠。根據(jù)格芯的介紹，該平臺將光子元件與高性能CMOS邏輯和RF集成在一起，以實(shí)現(xiàn)完全集成的單片電氣和光學(xué)計(jì)算和通信引擎，同時(shí)針對低信號損耗降級進(jìn)行了優(yōu)化。此外，格芯單片硅光子平臺的光輸入和光輸出可通過高密度光纖陣列、片上集成激光器和銅金屬化實(shí)現(xiàn)與其他半導(dǎo)體芯片的 2.5D 和 3D 異構(gòu)集成。
芯片巨頭如Broadcom、思科、Marvell和NVIDIA以及Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 在內(nèi)的光子計(jì)算領(lǐng)域的廠商都與格芯有著密切的交流合作。此外，EDA軟件廠商Ansys、Cadence和Synopsys等也正在提供支持基于集成硅光子學(xué)的芯片和小芯片的設(shè)計(jì)工具。
寫在最后
總而言之，光電共封的解決方案確實(shí)使得新一代的交換機(jī)與前幾代相比發(fā)生了很大的突破，但是如文中所述，CPO要成為主流還有諸多因素要克服，據(jù)Yole分析師的說法，盡管CPO具有技術(shù)優(yōu)勢，但它將很難與可插拔模塊競爭，在很長一段時(shí)間內(nèi)，可插拔模塊仍將是首選?？刹灏?、OBO和CPO將共存一段時(shí)間。
現(xiàn)在，光學(xué)器件可以與以太網(wǎng)交換機(jī)芯片共同封裝，未來，它能否與CPU、GPU或XPU集成在一起也或許是一個(gè)探究方向。在摩爾定律動力不足的情況下，光電共封這項(xiàng)技術(shù)正在嶄露其潛力，從另一條新道路上來滿足當(dāng)下數(shù)據(jù)量蓬勃發(fā)展的處理需求。而且很重要的一個(gè)趨勢是，主要的芯片巨頭們都在排兵布陣，光電共封技術(shù)正在向我們走進(jìn)。
